Страница 230 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

№ 2 Изучение процесса теплообмена

Цель работы Сравнить количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной водой при теплообмене.

Приборы и материалы Измерительный цилиндр, калориметр, стакан, термометр, сосуд с горячей водой, сосуд с холодной водой.

Указания к работе

1. Налейте, используя измерительный цилиндр, в калориметр 100 мл горячей воды, а в стакан — 100 мл холодной. Измерьте начальную температуру сначала холодной воды, а затем горячей.

2. Не вынимая термометр из горячей воды, осторожно вылейте холодную воду из стакана в калориметр. Перемешайте воду термометром и измерьте температуру смеси.

3. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы термометра, запишите в таблицу 12. Результаты вычислений записывайте без учёта погрешности.

4. Массу воды определите по формуле m = рV, зная, что плотность воды 1000$\frac{кг}{{м}^3}$.

5. Рассчитайте количество теплоты, отданное горячей водой при остывании до температуры смеси, и количество теплоты, полученное холодной водой при нагревании до той же температуры.

6. Сравните количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной водой при теплообмене.

7. Сделайте вывод и обоснуйте его.

Примечание В выводе к лабораторной работе не забудьте указать про потери некоторого количества теплоты.

Цель работы — экспериментально сравнить количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой при их смешивании, а также сделать вывод о выполнении закона сохранения энергии в процессе теплообмена.

Для выполнения расчетов и заполнения таблицы необходимо провести измерения. Так как реальные результаты измерений отсутствуют, для примера возьмем следующие правдоподобные значения, которые могли бы быть получены в ходе лабораторной работы:

• Начальная температура холодной воды $t_1 = 20^\circ\text{C}$
• Начальная температура горячей воды $t_2 = 80^\circ\text{C}$
• Температура смеси после теплообмена $t = 48^\circ\text{C}$

$V_1 = 100 \text{ мл}$ (объем холодной воды)
$V_2 = 100 \text{ мл}$ (объем горячей воды)
$\rho = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$ (плотность воды)
$c = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}}$ (удельная теплоемкость воды)
$t_1 = 20^\circ\text{C}$
$t_2 = 80^\circ\text{C}$
$t = 48^\circ\text{C}$

$V_1 = 100 \text{ мл} = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 10^{-4} \text{ м}^3$
$V_2 = 100 \text{ мл} = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 10^{-4} \text{ м}^3$

$m_1, m_2$ - ?
$Q_1$ - ?
$Q_2$ - ?

4. Массу воды определите по формуле $m = \rho V$, зная, что плотность воды $1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$.
Так как объемы холодной и горячей воды одинаковы ($V_1 = V_2 = V$), то и их массы будут равны:
$m_1 = m_2 = m = \rho \cdot V = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 0.1 \text{ кг}$.
Ответ: $m_1 = 0.1 \text{ кг}$, $m_2 = 0.1 \text{ кг}$.

5. Рассчитайте количество теплоты, отданное горячей водой при остывании до температуры смеси, и количество теплоты, полученное холодной водой при нагревании до той же температуры.
Количество теплоты, полученное холодной водой при нагревании, рассчитывается по формуле $Q_1 = c \cdot m_1 \cdot (t - t_1)$.
$Q_1 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}} \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (48^\circ\text{C} - 20^\circ\text{C}) = 420 \cdot 28 \text{ Дж} = 11760 \text{ Дж}$.
Количество теплоты, отданное горячей водой при остывании, рассчитывается по формуле $Q_2 = c \cdot m_2 \cdot (t_2 - t)$.
$Q_2 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}} \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (80^\circ\text{C} - 48^\circ\text{C}) = 420 \cdot 32 \text{ Дж} = 13440 \text{ Дж}$.
Ответ: Количество теплоты, полученное холодной водой, $Q_1 = 11760 \text{ Дж}$. Количество теплоты, отданное горячей водой, $Q_2 = 13440 \text{ Дж}$.

6. Сравните количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной водой при теплообмене.
Сравним вычисленные значения $Q_1$ и $Q_2$:
$Q_1 = 11760 \text{ Дж}$
$Q_2 = 13440 \text{ Дж}$
$Q_2 > Q_1$, так как $13440 > 11760$.
Разница составляет $\Delta Q = Q_2 - Q_1 = 13440 \text{ Дж} - 11760 \text{ Дж} = 1680 \text{ Дж}$.
Ответ: Количество теплоты, отданное горячей водой, больше количества теплоты, полученного холодной водой ($Q_2 > Q_1$).

7. Сделайте вывод и обоснуйте его.
В ходе проведенных расчетов на основе экспериментальных данных было установлено, что количество теплоты, отданное горячей водой ($Q_2$), превышает количество теплоты, полученное холодной водой ($Q_1$).
Это можно объяснить тем, что в реальных условиях система "горячая вода - холодная вода" не является полностью теплоизолированной. Часть теплоты, отданной горячей водой, расходуется не только на нагрев холодной воды, но и на нагрев калориметра, термометра и окружающего воздуха. Эти потери тепла приводят к тому, что $Q_2$ оказывается больше $Q_1$.
Ответ: В реальном эксперименте количество теплоты, отданное горячей водой, оказывается больше количества теплоты, полученного холодной водой, из-за неизбежных потерь теплоты в окружающую среду и на нагревание калориметра. Если бы система была идеально изолированной, то по закону сохранения энергии $Q_1$ было бы равно $Q_2$.